嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)概論P(yáng)PT課件

1、參考書 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，computers as components, principles of embedded computing system design, wayne wolf, 機(jī)械工業(yè)出版社，2002 ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)，馬忠梅等，北航出版社，2002 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks及其開發(fā)環(huán)境Tornado，孔祥營(yíng)等，中國(guó)電力出版社，2002第1頁(yè)/共44頁(yè)第一課、嵌入式系統(tǒng)概述 嵌入式系統(tǒng)的歷史與概念 無(wú)所不在的嵌入式系統(tǒng) 普適計(jì)算 嵌入式系統(tǒng)的基本組成與設(shè)計(jì) 嵌入式熱點(diǎn)領(lǐng)域第2頁(yè)/共44頁(yè)一、什么是嵌入式系統(tǒng) Embedded system 個(gè)

2、人電腦嵌入式系統(tǒng)第3頁(yè)/共44頁(yè)計(jì)算機(jī)工業(yè)的分類 以往計(jì)算機(jī)分類：大型計(jì)算機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微計(jì)算機(jī) 目前計(jì)算機(jī)分類：超級(jí)計(jì)算機(jī)，大型計(jì)算機(jī)、工作站、微計(jì)算機(jī)、亞微計(jì)算機(jī) 亞微計(jì)算機(jī)(嵌入式計(jì)算機(jī)) 是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中第4頁(yè)/共44頁(yè)歷史 電腦用于控制設(shè)備或嵌入系統(tǒng)的歷史幾乎電腦自身的歷史一樣長(zhǎng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 單片機(jī)掀起電子化浪潮 微處理器高速發(fā)展推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)第5頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式系統(tǒng)的演變 8031/8051單片機(jī)系統(tǒng)，自行編寫程序； 68360/386EX控制系統(tǒng)，自己編寫簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)； 32位嵌入式處理器pSoS嵌入式操作系統(tǒng)tcp/ip協(xié)議棧；

3、各種SoC+嵌入式Linux/VxWorks+嵌入式Web 設(shè)備server以及各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧GUI圖形界面無(wú)線模塊現(xiàn)代可移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)智能設(shè)備第6頁(yè)/共44頁(yè)后PC技術(shù)的時(shí)代 小到mp3，PDA等微型數(shù)字化產(chǎn)品，大到網(wǎng)絡(luò)家電，智能家電，車載電子設(shè)備 嵌入式系統(tǒng)是這個(gè)后PC時(shí)代的擎天之柱 1999年世界電子產(chǎn)品產(chǎn)值已超過(guò)12000億美元，2000年達(dá)到13000億美元，預(yù)計(jì)2005年，銷售額將達(dá)18000億美元。第7頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式簡(jiǎn)單定義 嵌入式系統(tǒng)是指操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之中。 可以認(rèn)為凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)第8頁(yè)/共44頁(yè)狹義定義 使用嵌

4、入式微處理器構(gòu)成獨(dú)立系統(tǒng)，具有自己的操作系統(tǒng)并且具有某些特定功能的系統(tǒng) 微處理器專指32位以上的微處理器第9頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式系統(tǒng)的定義 以應(yīng)用為中心以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 第10頁(yè)/共44頁(yè)二、無(wú)所不在的嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了各種通用計(jì)算機(jī) 一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備中就包含了5-10個(gè)嵌入式微處理器： 鍵盤、鼠標(biāo)、軟驅(qū)、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem、網(wǎng)卡、聲卡、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)字相機(jī)、USB集線器等均是由嵌入式處理器控制的。

5、在制造工業(yè)、過(guò)程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。 第11頁(yè)/共44頁(yè)經(jīng)典應(yīng)用 CISCO的路由器 華為、中興的以太網(wǎng)交換機(jī) 恒基偉業(yè)的商務(wù)通PDA； 摩托羅拉的手機(jī) 美國(guó)宇航局的火星探測(cè)器 Sony的機(jī)器狗AIBO第12頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域（一） 家用市場(chǎng) 機(jī)頂盒、掌上電腦、DVD、MP3、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字電視、WebTV、網(wǎng)絡(luò)冰箱、網(wǎng)絡(luò)空調(diào)、家庭網(wǎng)關(guān)、智能家用電器、車載導(dǎo)航器系統(tǒng)等 通信市場(chǎng) 電話交換系統(tǒng)，電纜系統(tǒng)，衛(wèi)星和全球定位系統(tǒng)（L3D），數(shù)據(jù)交換設(shè)備，移動(dòng)電話等 工業(yè)市場(chǎng) 制造工廠，污水處理系統(tǒng)，發(fā)電站和

6、電力傳輸系統(tǒng)，自動(dòng)化工廠，控制系統(tǒng)開發(fā)，維護(hù)和測(cè)試的工具，石油提煉和相關(guān)的貯運(yùn)設(shè)施，建筑設(shè)備，計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)，能源控制系統(tǒng)，核電站，機(jī)器人系統(tǒng)等 商業(yè)和金融市場(chǎng) 自動(dòng)柜員機(jī)，信用卡系統(tǒng)，售貨端系統(tǒng)，安全系統(tǒng)等第13頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域（二） 辦公市場(chǎng) 電話系統(tǒng)，傳真系統(tǒng)，復(fù)印機(jī)，計(jì)時(shí)系統(tǒng)，照相機(jī)和攝象機(jī) 運(yùn)輸市場(chǎng) 航空、鐵路、公路運(yùn)輸系統(tǒng)，燃料服務(wù)，航空管理，信令系統(tǒng)，雷達(dá)系統(tǒng)，交通指揮系統(tǒng)，停車系統(tǒng)，售票系統(tǒng)，乘客信息系統(tǒng)，檢票系統(tǒng)，行李處理系統(tǒng)，應(yīng)急設(shè)備等 建筑市場(chǎng) 電力供應(yīng)，備用電源和發(fā)電機(jī)，火警控制系統(tǒng)，供熱和通風(fēng)系統(tǒng)，電梯和升降系統(tǒng)，車庫(kù)管理，安保系統(tǒng)，電子門鎖系統(tǒng)，

7、樓宇管理系統(tǒng)，閉路電視系統(tǒng)，電子保險(xiǎn)柜，警鈴等 醫(yī)療市場(chǎng) 心臟除顫器，心臟起搏器，患者信息和監(jiān)視系統(tǒng)，MN光設(shè)備，理療控制系統(tǒng)，電磁成像系統(tǒng)等 軍事 武器控制第14頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式系統(tǒng)熱點(diǎn)應(yīng)用 信息家電 車載系統(tǒng) 軍事工業(yè) 醫(yī)療器械第15頁(yè)/共44頁(yè)信息家電應(yīng)用特點(diǎn) 市場(chǎng)巨大 低成本要求 利潤(rùn)空間小 競(jìng)爭(zhēng)激烈 人機(jī)界面友好 網(wǎng)絡(luò)化第16頁(yè)/共44頁(yè)車載系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn) 與汽車工業(yè)相配套 利潤(rùn)空間較大 可靠性要求較高 無(wú)線通訊要求第17頁(yè)/共44頁(yè)軍事工業(yè)應(yīng)用特點(diǎn) 市場(chǎng)壟斷性強(qiáng) 高利潤(rùn) 可靠性要求高 安全性要求高 成本要求布不高第18頁(yè)/共44頁(yè)軍事工業(yè)產(chǎn)品 數(shù)字化單兵信息裝備 夜視掃描、全球定位

8、、指揮通信第19頁(yè)/共44頁(yè)醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn) 市場(chǎng)廣闊，進(jìn)入門檻較高 利潤(rùn)極高第20頁(yè)/共44頁(yè)三、普適計(jì)算 Pervasive Computing 普適計(jì)算是指使用小型計(jì)算設(shè)備、在位置不斷移動(dòng)的過(guò)程中或在地理位置分布很廣的范圍內(nèi)，在不穩(wěn)定的通信條件下實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)事務(wù)處理和企業(yè)核心數(shù)據(jù)訪問(wèn)。 普適計(jì)算是指無(wú)所不在的、隨時(shí)隨地可以進(jìn)行計(jì)算的一種方式； 主要針對(duì)移動(dòng)設(shè)備； 普適計(jì)算設(shè)備可以一直或間斷地連接著網(wǎng)絡(luò) 第21頁(yè)/共44頁(yè)普適計(jì)算和無(wú)線互聯(lián)及網(wǎng)絡(luò)計(jì)算比較 普適計(jì)算是網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的自然延伸 它使得不僅PC機(jī)而且其它小巧的智能設(shè)備也可以連接到網(wǎng)絡(luò)中，從而方便人們即時(shí)地獲得信息并采取行動(dòng) 人們就可以以一

9、種一致的方式，使用所喜歡的設(shè)備（主要是嵌入式系統(tǒng)設(shè)備），隨時(shí)隨地獲得信息 第22頁(yè)/共44頁(yè)普適計(jì)算需要的條件 第一，處理器價(jià)格越來(lái)越便宜，而體積越來(lái)越小，使得計(jì)算機(jī)功能得以廣泛應(yīng)用?？梢詫⒂?jì)算機(jī)部件安裝在任何用于監(jiān)控或采集數(shù)據(jù)的各種小型計(jì)算物理設(shè)備上，例如家用電器、數(shù)據(jù)采集器、跟蹤器等。 第二，高的網(wǎng)絡(luò)帶寬也確保了網(wǎng)絡(luò)連接更快、更方便、更便宜，更完善的網(wǎng)絡(luò)保證了網(wǎng)絡(luò)連接的質(zhì)量和效率。 第三，現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用的蜂窩技術(shù)也有了很大的發(fā)展。蜂窩式移動(dòng)通訊系統(tǒng)的覆蓋能力和范圍比任何通信系統(tǒng)都要廣，且價(jià)格低廉。 蜂窩電話不必插在墻壁上，用戶在任何地方都能打。通過(guò)蜂窩技術(shù)的連接，不用物理連線就可以將PO

10、S銷售機(jī)連到局域網(wǎng)上。 第23頁(yè)/共44頁(yè)普適計(jì)算的特性 間斷連接 普適計(jì)算的第一個(gè)特征是間斷連接，是服務(wù)器能否不時(shí)地同用戶（特別是移動(dòng)用戶）保持聯(lián)系。用戶必須能夠存取服務(wù)器信息，在中斷聯(lián)系的情況下，可以處理這些信息。 輕量計(jì)算 即計(jì)算資源相對(duì)有限。普適計(jì)算主要用于商業(yè)用途的數(shù)據(jù)處理，通常針對(duì)移動(dòng)辦公的工作人員和需要經(jīng)常在旅途中存取公司系統(tǒng)數(shù)據(jù)的職員，他們需要不受地域和時(shí)間限制地獲取和處理核心系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)。 第24頁(yè)/共44頁(yè)普適計(jì)算對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的要求 第一，在普適計(jì)算設(shè)備上安裝一個(gè)系統(tǒng)開銷低的小型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，用于在本地存取信息。 第二，在軟件的分布、數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)、移動(dòng)存取等方面，要具備高效

11、、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)復(fù)制能力。 第三，普適計(jì)算也與電子商務(wù)緊密聯(lián)系在一起，那些電子商務(wù)應(yīng)用程序要求能夠交流、存取信息。第25頁(yè)/共44頁(yè)普適計(jì)算對(duì)于系統(tǒng)開銷的要求 按普適計(jì)算對(duì)于系統(tǒng)開銷的要求通?？梢苑譃槿N類型，分別使用三類操作系統(tǒng)，適用于不同類型的用戶，針對(duì)不同的市場(chǎng)，有三種不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。 第一種是Windows CE，它具有典型的前端辦公形式應(yīng)用程序，是用于商務(wù)處理的完整操作系統(tǒng)，在小型輕便個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。用戶用微型鍵盤輸入數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)開銷大約為2 MB，所以數(shù)據(jù)庫(kù)的開銷很小 ，大約只有1 MB，物理存儲(chǔ)量約在500 MB600 MB之間。 第二種是手持設(shè)備（又叫掌上機(jī)，Palm），運(yùn)

12、行生產(chǎn)商特制的掌上機(jī)操作系統(tǒng)（Palm OS）。這種設(shè)備比Windows CE設(shè)備更小，通過(guò)手寫筆進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入，配有一個(gè)很小的瀏覽窗口。通常該設(shè)備上數(shù)據(jù)庫(kù)可用的內(nèi)存容量小于1MB，物理存儲(chǔ)量在500 MB以下。 第三種設(shè)備的代表是汽車的內(nèi)置計(jì)算機(jī)部件。這種設(shè)備只有100 KB的內(nèi)存，沒有硬盤存儲(chǔ)，運(yùn)行用專用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)商開發(fā)的操作系統(tǒng)。第26頁(yè)/共44頁(yè)普適計(jì)算用途及前景 普適計(jì)算主要用于商業(yè)，通常針對(duì)移動(dòng)辦公的工作人員和需要經(jīng)常存取公司系統(tǒng)信息的職員。 數(shù)字家庭能通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)將寬帶網(wǎng)絡(luò)接入家庭，家庭內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)可以是無(wú)線或有線的。在家庭內(nèi)部，手持設(shè)備、PC或者家用電器通過(guò)有線或者無(wú)線的方

13、式連接到網(wǎng)絡(luò)，從而提供了一個(gè)無(wú)縫、交互和普適計(jì)算的環(huán)境。 第27頁(yè)/共44頁(yè)四、嵌入式系統(tǒng)的基本組成與設(shè)計(jì) 嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它是集軟硬件于一體的可獨(dú)立工作的“器件”第28頁(yè)/共44頁(yè)交叉學(xué)科 先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù) 半導(dǎo)體技術(shù) 電子技術(shù) 各個(gè)行業(yè) 面向具體應(yīng)用第29頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品特征 硬件：嵌入式處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面 嵌入式軟件生命周期嵌入式產(chǎn)品 軟件以只讀存儲(chǔ)器為載體 不可以隨意更換第30頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式處理器 嵌入式系統(tǒng)的核心部件 品種總量已經(jīng)超過(guò)1000多種，流行體系結(jié)

14、構(gòu)有30幾個(gè)系列，其中8051體系的占有多半第31頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式系統(tǒng)硬件主流 32,64位微處理器是目前嵌入式系統(tǒng)的核心 主要硬件廠商包括Intel，Motorola，Philip，AMD等 每個(gè)月都有新產(chǎn)品出現(xiàn)第32頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式計(jì)算機(jī)內(nèi)核分類 嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) 嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP) 嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip) 第33頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式微處理器(E

15、MPU) 通用計(jì)算機(jī)中的CPU 專門設(shè)計(jì)的電路板 只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能 增強(qiáng)工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面 功能與和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相似 嵌入式處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等第34頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式微控制器(MCU) 又稱單片機(jī) 以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè) 微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本

16、下降、可靠性提高。 第35頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式微控制器(MCU) 代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。 另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70的市場(chǎng)份額。 第36頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式DSP處理器(EDSP) DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。 在數(shù)字濾波、FFT、譜分析

17、等方面DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過(guò)渡到采用嵌入式DSP處理器。第37頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式DSP處理器(EDSP) 有代表性的產(chǎn)品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。 TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動(dòng)通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。 DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個(gè)不同系列的處理器。第38頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式片上系統(tǒng)(SOC) 在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)

18、復(fù)雜的系統(tǒng) 整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去 應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡(jiǎn)潔 SOC可以分為通用和專用兩類。 通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。 專用SOC一般專用于某個(gè)或某類系統(tǒng)中。有代表性的產(chǎn)品是Philips的Smart XA第39頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式系統(tǒng)軟件的特征 (1) 軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ) (2) 軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性 (3) 系統(tǒng)軟件(OS)的高實(shí)時(shí)性是基本要求 (4) 多任務(wù)操作系統(tǒng)是知識(shí)集成的平臺(tái)和走向工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化道路的基礎(chǔ) 第40頁(yè)/共44頁(yè)嵌入式軟件主流 VxWorks 是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場(chǎng)占有率最高的系統(tǒng)。 Os